Grandes retos del siglo XXI

*Instituto de Física, UNAM. [regresar]

Luis de la Peña **

El principio del siglo XX vio nacer la teoría de la relatividad (la especial en 1905, la general en 1916) y una década después (entre 1925 y 1927 para ponerle fecha) la mecánica cuántica. Estas dos teorías definieron el carácter y la naturaleza de la física del siglo pasado.

La mecánica cuántica es, en lo básico (aunque no exactamente), la rama de la física que estudia los sistemas ultramicroscópicos, como átomos o moléculas e incluso menores, y sus agregados más fundamentales. Ésta es una teoría esencialmente diferente de las que conociera la física anterior al siglo XX. La teoría cuántica demanda una visión física muy propia y altamente novedosa, la que llega incluso a estar en contradicción con la visión que del mundo nos proporcionan la física clásica y el resto de las ciencias naturales. Pero se abordará esto más adelante.

La mecánica cuántica es a la física actual lo que la mecánica de Newton fuera para la física clásica: el sustento teórico general de los avances físicos ulteriores. Con su establecimiento se dieron las bases para el surgimiento y desarrollo de la amplia variedad de teorías que conforman la física contemporánea. Como ejemplos podemos citar la electrodinámica cuántica y la teoría cuántica de campos, la física atómica, la molecular, la nuclear, las de los diversos estados de la materia, como sólidos, líquidos, gases, geles y plasmas, la de las partículas elementales, etcétera.

Más allá del territorio que le es propio, la mecánica cuántica ha alentado también el surgimiento de importantes capítulos de campos científicos que le son afines. Un notable ejemplo es la química cuántica o química teórica, que ha conducido a señalados avances de esta ciencia. Los resultados están presentes en la síntesis y generación de una amplia variedad de medicamentos y drogas, o bien, en la producción de nuevos materiales, el modelaje molecular, la química computacional, etc. La tabla periódica de Mendeleev, y con ello la base misma de la química, encuentra su explicación última en la mecánica cuántica.

Varios capítulos de la astrofísica contemporánea son resultado de una productiva simbiosis con las actuales teorías de origen cuántico. Es de esperarse que en su momento emerjan de este matrimonio respuestas a profundos misterios, como la esencia de la energía oscura, en la que reside aproximadamente 70% de la energía del universo y no se sabe qué es. Algo análogo sucede con la materia oscura, otro misterio que representa esta vez aproximadamente 25% de la materia del universo. En otras palabras, el mundo que vemos no representa más de 5% de aquello que hay en el universo y el resto es un enigma. Seguramente, yendo de la mano la astrofísica y la teoría cuántica se requerirá menos tiempo para develar el misterio.

La mecánica cuántica también puede preciarse de haber contribuido a la biología contemporánea con más que un grano de arena. De hecho, la más actual rama de la biología, la biología molecular, o sea, la biología que se centra en la base molecular de la actividad biológica, tiene abuelo físico. Un destacado antecesor de la biología molecular, Hermann Muller, después de muchos años de trabajo exitoso, reconoció las limitaciones de un genetista para alcanzar una explicación fundamental de las propiedades de los genes y sus acciones. Allá por 1936 escribió un ensayo en el cual reconoce tales limitaciones y señala que les tocaba ya al físico y al químico entrar en escena. Y pregunta: “¿Quién es el voluntario que se lanza?” El reto fue respondido. Primero por Schrödinger, uno de los grandes creadores de la mecánica cuántica, quien propuso una explicación cuántica al juego entre estabilidad y mutabilidad del gen en su libro ¿ Qué es la vida ?, obra que resultó muy influyente entre los biólogos. Poco más adelante la emigración del físico Max Delbrueck hacia la biología resultó aun de mayor impacto. Es interesante comparar las perspectivas científicas de estos dos pioneros: mientras Schrödinger pretendió reducir la biología a la física en su breve obra, Delbrueck y su escuela mantuvieron el objetivo de entender cómo se complementan entre sí estas disciplinas. Muy al estilo de los físicos, Delbrueck empezó su nuevo derrotero con el estudio del sistema biológico de interés más simple: un virus. Es la biología molecular naciendo.

La intensa actividad alrededor de las teorías de naturaleza cuántica ha dado lugar al surgimiento de una vasta colección de aplicaciones y dispositivos que basan su funcionamiento en fenómenos cuánticos. Entre los ejemplos quizá más notables, pero no únicos, se encuentra una variedad de materiales que produce la industria contemporánea, que va desde tejidos de todo tipo y con propiedades prediseñadas, hasta los materiales proyectados para las necesidades de la tecnología espacial. En otra dirección se encuentra el instrumental médico de base cuántica, como es el microscopio electrónico, o bien, los diversos sistemas de diagnóstico mediante imágenes en vivo e incluso tridimensionales, como es el caso de la tomografía nuclear. La cirugía de precisión ha encontrado a un gran aliado en el láser, cuyas aplicaciones médicas y quirúrgicas cada día son más extensas.

De mayor interés aún son las contribuciones de la física cuántica a las comunicaciones inalámbricas, con internet y los servicios derivados de él a la cabeza, incluido el ya indispensable teléfono móvil. Se estima que operan en el mundo alrededor de 6 000 millones de teléfonos portátiles, lo que se acerca significativamente al número de pobladores del planeta. Otro capítulo de relevancia en el que la tecnología de origen cuántico ha tenido enorme impacto es el cómputo. Desde las enormes computadoras en uso hasta la minilaptop, juegan ya un papel en nuestra cotidianidad muy difícil de evaluar y aún más de exagerar en importancia. Para la ciencia y para la tecnología la computadora se ha convertido en el instrumento indispensable. Durante varios siglos hubo dos formas de hacer ciencia, particularmente física (y astronomía y química): la experimental u observacional y la teórica. Ahora son tres, pues a las dos anteriores se ha agregado una tercera que cada día adquiere mayor importancia relativa: la simulación. Ésta es lo que su nombre indica: el estudio de los fenómenos o procesos de interés (de la naturaleza que sean, desde matemáticos hasta sociales o psicológicos) mediante su simulación en una computadora.

El impulso que ha adquirido la ciencia, y muy particularmente las ciencias naturales, nos augura para un futuro próximo resultados importantes, aunque seguramente impredecibles en su mayor parte. Nuestros abuelos no podrían haber predicho lo que hoy vivimos, así como nosotros tampoco podemos entrever con razonable seguridad cuáles serán los resultados que la ciencia nos habrá de brindar dentro de algunas décadas. Sin embargo, a plazo corto las cosas son más claras. Hay dos grandes motores que mueven a la ciencia. Uno de ellos es interno a ella. Opera cuando la ciencia se plantea como tema de estudio un problema que le es propio y consustancial. Podemos prever algunos de los problemas de peso que habrán de encontrar respuesta en el curso de las próximas décadas. Los neurólogos, por ejemplo, nos han dicho que el problema de la conciencia encontrará solución en el curso del presente siglo. Por mí, preferiría un plazo mucho más corto, pues me gustaría conocer la solución.

En el terreno de la física hay enorme actividad alrededor del estudio de los sistemas complejos. Pero, todavía no existe una teoría general de ellos, pues las matemáticas de los sistemas no lineales, que les son fundamentales, están aún por desarrollarse. Seguramente en el curso de algunos años se avanzará mucho en esta tarea. Algo análogo podemos decir respecto a lo que probablemente se deba considerar como el gran problema físico por resolver hoy en día: la unificación de la relatividad y la física cuántica. Estas teorías no han podido encontrar acomodo en una visión única del mundo físico; nos presentan dos visiones divergentes del mundo físico, el que es, sin embargo, único. La solución de este problema, tema al cual están abocados en este momento miles de físicos teóricos dispersos en el mundo, nos dará una visión unificada y seguramente que riquísima de todas las fuerzas que ocurren en la naturaleza. Cuando se llegue a ella constituirá la mayor síntesis que habrá creado la mente humana. Éste es uno de los mayores retos de la física contemporánea.